ACM通信
物理学家们打破了发送和接收光子的色障
俄勒冈大学的物理学家迈克尔·雷默领导了两个可以增强网络安全和数据传输的项目。
来源:Jim Barlow /俄勒冈大学
俄勒冈大学的科学家们发明了一种方法，可以改变光纤电缆中单个光子的颜色。这一激光调整的壮举可能是在为未来一代互联网传输和接收大量安全数据方面向前迈出的一大步。
在一篇由UO物理学家领导的论文中报道了这个概念证明实验迈克尔。g . Raymer刊登在8月27日的物理评论快报．
在同一期刊发表的另一篇论文中，雷默和他在英国巴斯大学的合作者讲述了他们如何将氢和短激光脉冲添加到中空的“光子晶体”光纤电缆中，从而产生多种颜色或波长的光。雷默说，这篇论文为未来创造超短光脉冲的研究提供了基础。
该单光子项目，即双色激光束被用来改变单独单光子光的颜色，直接适用于未来的互联网通信技术，UO的文科和科学骑士教授Raymer说，他是新出版的教科书《硅网:互联网背后的物理学》(Taylor & Francis, 2009)的作者。
在计算领域，数字数据现在被包含为由许多电子代表的单个比特，并使用包含许多光子的红外光脉冲进行传输。在未来的量子计算技术中，数据可能被存储在单个的电子和光子中。雷默说，这种量子技术可以使数据100%安全，不受黑客攻击，并扩展搜索大型数据库的能力。
他说:“光纤网络需要更多的带宽或数据速率。”“在今天的光纤线路中，一种频率的光可能传送电话通话，而其他频率的光可能传送电视频道或电子邮件，所有这些都在互联网上以不同的频道传输。在单光子的水平上，我们希望在不同的信道(颜色或波长)中同时发送数据。基于电子的量子记忆能发射并吸收可见光——比如红光，”他说。“但我们想要使用的光纤——比如现在埋在地下的那些光纤——经过优化，可以传输红外线，而不是可见光。”
在雷默的博士生海登·j·麦吉尼斯(Hayden J. McGuinness)领导的实验中，研究人员使用两个激光器产生强烈的双色光爆发，当聚焦到同一根光纤上时，该光纤携带一个不同颜色的光子，导致该光子改变为一种新的颜色。这是通过一个被称为布拉格散射的过程发生的，在这个过程中，少量的能量在激光和单个光子之间交换，导致其颜色发生变化。
这个过程，在UO的俄勒冈演示过光学中心，称为量子频移。它允许使用特定颜色的光相互通信的设备与使用不同颜色的设备通信。
这项研究受到了雷默合作者早期工作的启发:阿尔卡特朗讯贝尔实验室的科林·麦金斯特里和加州大学圣地亚哥分校的斯托扬·拉迪克。
雷默说:“其他研究人员已经使用某些类型的晶体完成了这种频率转换。”“相反，使用光纤创造出已经具有适当形状的翻译光子，使它们能够在通信光纤中传输。我们的技术的另一个很大的优势是它允许我们改变单个光子的频率任意数量。其目标是将单个光子从普通量子存储器将处理的颜色转换为通信光纤可以传输的红外光子。在另一端，它必须被转换回原来的颜色，进入接收存储器以正确读取。”
Raymer的团队发表的第二篇论文集中在UO和巴斯大学的理论和实验工作上。演示了如何在充氢光纤中创建光频率梳。
光学频率梳包含许多精确已知的光的颜色或波长，可以用来测量光的波长，就像有许多勾标记的尺子可以用来测量距离一样。
梳状方法是由美国国家标准与技术研究所的约翰·霍尔(John Hall)共同开发的，他在2005年获得了诺贝尔物理学奖，因为他的工作导致了测量光频率的标准。
通过在中空光缆的空气孔中填充氢气，研究人员能够改变穿过的光的颜色或频率。当一束短暂的红色激光穿过气体时，氢分子发生振动，发出多种颜色的强光。
雷默说:“在第一个研究中，我们一次用一个光子，用两次激光爆发来改变能量和颜色，而不使用氢分子。”“在第二项研究中，我们利用了纤维内部振动分子与不同光束相互作用的优势。这是一种使用一种特定颜色的强激光产生多种颜色的方法，从蓝色到绿色到黄色到红色到红外。”
使用的激光脉冲是200皮秒长。将产生的光颜色结合在这种纤维中可以产生20万倍的脉冲，即1飞秒。
雷默说，这样的时间尺度可以为在原子水平上研究生物过程开辟道路，或者可能捕捉到迄今为止前所未见的光合作用活动。
与麦吉尼斯和雷默共同撰写单光子论文的是麦金特里和拉迪克。美国国家科学基金会资助了该项目。
在光学梳的工作中，雷默与UO的学生博士吴春白、王y.y.、F. Couny和Fetah Benabid合作，他们都来自巴斯大学。美国国家科学基金会和英国工程与物理科学研究委员会分别通过向雷默和贝纳比德的拨款支持了这项研究。
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